병원에서 MRI(자기공명영상) 검사를 받을 때 몸속 수소 원자핵들이 강한 자기장에 의해 정렬되었다가 원래 상태로 돌아오는 원리가 무엇인가요?

Question

병원에서 MRI(자기공명영상) 검사를 받을 때 몸속 수소 원자핵들이 강한 자기장에 의해 정렬되었다가 원래 상태로 돌아오는 원리를, 양성자의 스핀 양자수 상태 변화와 전자기파 흡수 및 방출 관점에서 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

우리 몸속의 수소 원자핵(양성자)은 스스로 회전하는 스핀 성질이 있어 미세한 자석 역할을 합니다. 평소에는 무작위로 흩어져 있지만, MRI의 강한 자기장 속에 들어가면 양성자의 스핀 양자수 상태가 두 갈래로 정렬됩니다. 외부 자기장과 같은 방향인 에너지가 낮은 상태와, 반대 방향인 에너지가 높은 상태로 나뉘는 것입니다. 이때 상대적으로 안정한 낮은 에너지 상태의 양성자가 더 많아지면서 몸 전체에 자기적 흐름이 형성되고, 양성자들은 특정 주파수로 세차운동을 하게 됩니다.

​여기에 양성자의 회전 주파수와 일치하는 전자기파를 쏘아주면 양성자들이 에너지를 흡수합니다. 이 공명 현상으로 인해 낮은 에너지 상태에 있던 스핀들이 에너지가 높은 상태로 전이됩니다.

​이후 전자기파 공급을 중단하면 양성자들은 다시 안정적인 원래 상태로 돌아가려는 이완 과정을 거칩니다. 에너지가 높은 상태에서 낮은 상태로 떨어지면서, 흡수했던 에너지를 다시 전자기파 형태로 외부에 방출합니다.

​신체 조직마다 수소 원자핵의 밀도와 주변 환경이 다르기 때문에, 원래대로 돌아가는 속도와 방출되는 자기파 신호의 세기에 차이가 발생합니다. MRI 장비는 이 신호 차이를 정밀하게 감지하고 컴퓨터로 계산하여 인체 내부를 선명한 단면 영상으로 재구성해 줍니다.